Prof. Dr. Reinhard Kienberger
Technische Universität München
Lehrstuhl für Physik E11

Wolfram Helml
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
International Max Planck Research School of Advanced Photon Science

Prof. Dr. Jerome Hastings
Stanford University
Stanford Linear Accelerator Center (SLAC)

Die vorgeschlagenen Messungen dienen dazu eine experimentelle Technik zu etablieren, die es uns mithilfe der sogenannten Photoelektronen-Spektroskopie ermöglichen wird mit sub-femtosekunden Auflösung die Dauer von Röntgenpulsen zu messen, die an der LINAC Coherent Light Source (LCLS) in Stanford, Kalifornien, erzeugt werden, der derzeit weltweit größten und brilliantesten Röntgenquelle. Eine der hervorstechenden Eigenschaften der LCLS und anderer derzeit im Aufbau befindlicher Freie-Elektronen-Laser (FEL) ist ihre ultrakurze Pulsdauer. Unabhängig von der Bedeutung für die Charakterisierung der LCLS ist eine präzise Messung solcher kurzen FEL-Pulsdauern eine Vorbedingung für den Entwurf vieler zukünftiger Experimente zur detaillierten Untersuchung von physikalischen, chemischen und biologischen Reaktionsvorgängen, die auch den Grundstein zu einer ganzen Reihe attraktiver Anwendungen in der Medizin legen können, von hochauflösenden Aufnahmen weicher Gewebe bis hin zu neuen Methoden der frühzeitigen Krebserkennung.

Abschlussbericht:

Das Ziel unseres Projektes war die zeitliche Charakterisierung von ultrakurzen und -intensiven, kohärenten Röntgenpulsen des freien Elektronenlasers (FEL) an der Linac Coherent Light Source (LCLS) der Stanford University in Kalifornien. Neuartige freie Elektronenlaser ermöglichen ultrakurze Pulsdauern, die für die Untersuchung der Dynamik und Funktion von physikalischen, chemischen und biologischen Systemen essentiell sind. Die präzise Vermessung der zeitlichen Struktur der Röntgenpulse kann sogar zu neuen Erkenntnissen führen, welche die Entwicklung von Röntgenanlagen der nächsten Generation beeinflussen können. Der „European X-Ray Free-Electron Laser“ (XFEL) in Hamburg ist ein Beispiel für eine solche Anlage.

Im Rahmen dieses Projekts wurde die Streaking-Spektroskopie vom optischen Spektralbereich in den Röntgenbereich übertragen. Diese Methode nutzt das elektromagnetische Feld eines mit dem Röntgenlaser synchronisierten, konventionellen Lasers, um Photoelektronen energetisch zu beeinflussen („streaken“), die aufgrund der Wechselwirkung des Röntgenpulses mit Edelgasatomen entstehen. Die zeitliche Verteilung dieser Photoelektronen folgt zunächst der Form des Röntgenpulses und wird also durch die Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld des optischen Lasers in ein korrespondierendes Spektrum umgewandelt, das von der kinetischen Energie der Photoelektronen abhängt und mit Hilfe eines „Magnetic Bottle“-Elektronen-Flugzeitspektrometers detektiert werden kann.

Wir haben gezeigt, dass diese experimentelle Methode dazu fähig ist, die Dauer von Röntgenpulsen für jeden einzelnen Schuss mit einer Genauigkeit von wenigen 100 Attosekunden zu bestimmen. Weiterhin ermöglicht diese Technik die Untersuchung der Substruktur von FEL-Pulsen auf der Attosekunden-Zeitskala. Die Ergebnisse des Projekts wurden an Nature Photonics übermittelt und stehen zur Veröffentlichung aus.